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1、氣隙對(duì)電容和擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響：肖嘯,鄧敏,肖志剛,許德富 摘要:電容和擊穿場(chǎng)強(qiáng)是電容器的兩個(gè)重要電性能指標(biāo)。以平板電容器和圓柱形電容器為例,分析了電介質(zhì)中存在的氣隙對(duì)電容和擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響,結(jié)果表明氣隙會(huì)導(dǎo)致電容和擊穿場(chǎng)強(qiáng)降低。 關(guān)鍵詞:電容器;電容;擊穿場(chǎng)強(qiáng);氣隙;電介質(zhì) Abstract:Condenser’scapacityandbreakdoportantindicatorsofelectricalproperties.Toplatecondenserandcylindricalcondenser,theeffectsofai
2、rgaponcapacityandbreakdownfieldstrengtharediscussedinthispaper,andresultsshowthattheairgapindielectricwillcauselowercapacityandbreakdownfieldstrength. Keywords:condenser;capacity;breakdownfieldstrength;airgap;dielectric 1引言 電容器是應(yīng)用于現(xiàn)代電工技術(shù)和電子技術(shù)中的重要元件,起著隔直、濾波、耦合、調(diào)諧、能量存
3、儲(chǔ)等作用。電容和擊穿場(chǎng)強(qiáng)(或擊穿電壓)是電容器的兩個(gè)重要電氣性能指標(biāo),電容表征了電容器容納電荷的本領(lǐng),擊穿場(chǎng)強(qiáng)則反映了組成電容器的重要材料——電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下保持正常性能的極限能力。一般來說,電容與電容器的結(jié)構(gòu)和電介質(zhì)有關(guān),擊穿場(chǎng)強(qiáng)主要由電介質(zhì)決定,而實(shí)際中,即使是單一絕緣結(jié)構(gòu)的電容器,由于材料的不均勻性(比如含有雜質(zhì)或空氣間隙)都會(huì)對(duì)電容和擊穿場(chǎng)強(qiáng)有影響。本文以廣泛應(yīng)用的平板電容器和圓柱形電容器為例,分析了單一絕緣介質(zhì)內(nèi)部的空氣間隙對(duì)電容和擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響。 2氣隙對(duì)平行板電容器的影響 內(nèi)含氣隙的單一電介質(zhì)構(gòu)成的平行板電容器見圖1
4、。設(shè)平行板電容器極板面積為S,距離為d,極板間有相對(duì)電容率為εr的電介質(zhì),球形氣隙的半徑為r0,且r0<5、lt;C′(4) (4)式說明當(dāng)電介質(zhì)中存在氣隙時(shí),電容器的電容將減小,即電容器容納電荷的本領(lǐng)下降。由推導(dǎo)過程與氣隙形狀無關(guān)可知,該結(jié)論并不限于球形氣隙,可推廣至其他形狀氣隙和有多個(gè)氣隙存在的情況?！ ?.2擊穿場(chǎng)強(qiáng) 設(shè)平板電容器兩極電壓為U,且平行板內(nèi)無氣隙時(shí),忽略邊緣效應(yīng),電介質(zhì)中的電場(chǎng)可視為勻強(qiáng)電場(chǎng),電場(chǎng)強(qiáng)度為E0=U/d。當(dāng)電容器正常工作時(shí),該場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)小于電介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)Eb(Eb=Ud/d,Ud為擊穿電壓),即E0<Eb?！ ∪綦娊橘|(zhì)中存在如前所述的球形氣隙時(shí)(r0<6、于均勻電場(chǎng)E0中的帶球形空腔電介質(zhì)的情況相同。在均勻電場(chǎng)E0的作用下,氣隙和電介質(zhì)的分界面將產(chǎn)生極化電荷,由電動(dòng)力學(xué)知識(shí)可推導(dǎo)出球形氣隙內(nèi)、外的電場(chǎng)分布。[2]氣隙內(nèi)部是一均勻電場(chǎng)E,氣隙外部電場(chǎng)為E0與處于球心的極化偶極矩(該偶極矩是球形分界面上所有極化電荷的等效偶極矩)相疊加。由于推導(dǎo)過程較為復(fù)雜,本文并不涉及具體的推導(dǎo),詳情可參見有關(guān)資料。[2~4]球形氣隙內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度公式如下: (5) 由于εr>1,則E>E0,即氣隙內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)大于電介質(zhì)中的場(chǎng)強(qiáng);當(dāng)εr>>1時(shí),E=1.5E0。由于空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)小于
7、介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng),隨著電容器電壓升高,E0和E都在增大,當(dāng)E增大到超過空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí),空氣首先被電離擊穿,形成放電通道,電壓將隨之落到氣隙兩端的電介質(zhì)上。如果電介質(zhì)內(nèi)存在設(shè)計(jì)中并沒有考慮到的多個(gè)或大量氣隙時(shí),當(dāng)氣隙被擊穿后,電場(chǎng)強(qiáng)度有可能超過電介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)Eb,造成介質(zhì)擊穿,電容器損壞甚至設(shè)備損壞,而此時(shí)可能尚未達(dá)到額定的擊穿電壓Ud。因此,在電容器的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到氣隙對(duì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響。 3氣隙對(duì)圓柱形電容器的影響 由相對(duì)電容率為εr的單一電介質(zhì)構(gòu)成的圓柱形電容器俯視圖見圖2,電容器內(nèi)外極板的半徑分別為r1、r2,其內(nèi)含半徑為r0
8、球形氣隙,且r0遠(yuǎn)小于電介質(zhì)厚度d,d=r2-r1,電容器長度為l?！ ?.1電容 設(shè)氣隙的等效電容為C0,其周圍介質(zhì)的等效電容為C1、C2、C3、C4,如前述2.1中的分析相同,內(nèi)含氣隙的圓柱形電容器的
